Сверхпроводящие кабели постоянного тока и перспективы создания на их основе протяженных линий электропередачи

Page 1
background image

Page 2
background image

92

На

 

основе

 

экспериментальных

 

и

 

теоретических

 

результатов

полученных

 

многими

 

на

-

учными

 

группами

показана

 

возможность

 

строительства

 

энергомостов

 

с

 

использованием

 

сверхпроводниковых

 

технологий

Будут

 

представлены

 

также

 

оценки

 

мощности

 

передачи

общей

 

длины

 

линии

 

и

 

максимального

 

расстояния

 

между

 

криогенными

 

станциями

потерь

 

энергии

 

и

 

требуемой

 

мощности

 

криогенной

 

установки

В

 

результате

 

будет

 

показано

что

 

при

 

современном

 

уровне

 

развития

 

сверхпроводниковой

 

и

 

криогенной

 

техники

 

реальным

 

является

 

создание

 

сверхпроводящих

 

линий

 

передачи

 

мощностью

 

порядка

 10 

ГВт

 

прак

-

тически

 

любой

 

длины

При

 

этом

 

криогенные

 

станции

 

должны

 

размещаться

 

вдоль

 

линии

 

с

 

максимальным

 

шагом

 45–75 

км

Обсуждается

 

возможность

 

увеличения

 

расстояния

 

между

 

криогенными

 

станциями

 

за

 

счет

 

усовершенствования

 

термической

 

изоляции

 

криостатов

.

Сверхпроводящие кабели

постоянного тока и перспективы

создания на их основе протяженных

линий электропередачи

УДК

 621.3.05

КАБЕЛЬНЫЕ

ЛИНИИ

Сытников

 

В

.

Е

.,

д

.

т

.

н

., 

заместитель

 

научного

 

руководителя

 

АО

 «

НТЦ

 

ФСК

 

ЕЭС

» 

Дементьев

 

Ю

.

А

.,

председатель

 

научно

-

технического

 

совета

советник

 

генерального

 

директора

 

АО

 «

НТЦ

 

ФСК

 

ЕЭС

»

ВВЕДЕНИЕ

Сравнительно

 

недавно

 

науч

-

ная

 

общественность

 

отмечала

 

100-

летнюю

 

годовщину

 

откры

-

тия

 

явления

 

сверхпроводимости

 

и

 30-

летнюю

 

годовщину

 

открытия

 

высокотемпературной

 

сверхпро

-

водимости

 (

ВТСП

), 

которая

 

явила

 

миру

 

возможность

 

перехода

 

от

 

до

-

рогостоящего

 

охлаждения

 

низко

-

температурных

 

сверхпроводников

 

жидким

 

гелием

 

к

 

принципиально

 

новому

 — 

азотному

 

уровню

 

тем

-

ператур

 [1]. 

В

 

начале

 2000-

х

 

годов

 

в

 

научных

 

статьях

 

стали

 

появлять

-

ся

 

данные

 

об

 

успешных

 

испыта

-

ниях

 

прототипов

 

и

 

эксперимен

-

тальных

 

отрезков

 

ВТСП

 

кабелей

В

 

настоящее

 

время

 

в

 

мире

 

на

-

считывается

 

несколько

 

десятков

 

экспериментальных

 

кабельных

 

линий

созданных

 

с

 

целью

 

изуче

-

ния

 

возможности

 

передачи

 

элек

-

троэнергии

 

с

 

использованием

 

эф

-

фекта

 

сверхпроводимости

но

 

их

 

длины

 

пока

 

не

 

превышают

 

одного

 

километра

Накопленный

 

опыт

 

по

-

зволяет

 

строить

 

системы

 

пере

-

дачи

 

энергии

 

длиной

 

в

 

несколько

 

километров

 

для

 

использования

 

их

 

в

 

реальных

 

электросетях

Уже

 

объявлено

 

о

 

разработке

 

проектов

 

ВТСП

 

кабельных

 

линий

 

длиной

 

от

 

одного

 

до

 

десяти

 

километров

 

(

Россия

Япония

Республика

 

Ко

-

рея

Европа

 

и

 

США

) [2]. 

Интерес

 

к

 

этому

 

направлению

 

определяет

-

ся

 

фактом

 

размещения

 

мощных

 

источников

 

электроэнергии

  (

АЭС

ГЭС

гелио

и

 

ветропарки

на

 

больших

 

расстояниях

 

от

 

крупных

 

городов

 

и

 

потребителей

 

электро

-

энергии

что

 

приводит

 

к

 

необходи

-

мости

 

транспортировать

 

большие

 

потоки

 

энергии

 

на

 

значительные

 

расстояния

При

 

этом

 

традици

-

онная

 

схема

 

выдачи

 

мощности

 

предполагает

 

использование

 

вы

-

соковольтных

 

воздушных

 

линий

 

электропередачи

 (220–750 

кВ

), 

что

 

обусловлено

 

стремлением

 

минимизировать

 

потери

 

энергии

 

при

 

ее

 

транспортировке

Это

 

при

-

водит

 

к

 

необходимости

 

создания

 

высоковольтных

 

повышающих

 

и

затем

понижающих

 

подстан

-

ций

к

 

заметным

 

потерям

 

энергии

 

(6–10%) 

при

 

ее

 

транспортировке

а

 

также

 

к

 

отчуждению

 

значитель

-

ных

 

площадей

 

земли

Использова

-

ние

 

сверхпроводящих

 

кабельных

 

линий

 

позволит

 

заметно

 

снизить

 

класс

 

напряжения

 

и

 

увеличить

 

единичную

 

мощность

 

передачи

 

за

 

счет

 

увеличения

 

рабочих

 

то

-

ков

Это

 

открывает

 

возможность

 

создания

 

передачи

 

при

 

понижен

-

ном

 

напряжении

что

 

существен

-

но

 

сказывается

 

на

 

стоимости

 

всей

 

инфраструктуры

 

кабельной

 

Ключевые

 

слова

:

высокотемпературная

 

сверх

-

проводимость

сверхпроводниковая

 

и

 

криогенная

 

техника

криогенное

 

оборудование

,  

протяженные

 

кабельные

 

линии

 

электропередачи

Keywords:

high-temperature superconductivity, 
superconducting and cryogenic 
technology, cryogenic equipment, 
long-distance cable lines


Page 3
background image

93

линии

Кроме

 

того

в

 

сверхпрово

-

дящей

 

линии

 

отсутствует

 

падение

 

напряжения

 

по

 

длине

 

линии

что

 

существенно

 

для

 

протяженных

 

линий

При

 

этом

 

при

 

разработке

 

длинных

 

линий

 

рассматриваются

 

сверхпроводящие

 

кабельные

 

ли

-

нии

 

постоянного

 

тока

.

СВЕРХПРОВОДЯЩИЕ

 

КАБЕЛЬНЫЕ

 

ЛИНИИ

 

В

 

ЭНЕРГОСИСТЕМЕ

Высокотемпературные

 

сверхпро

-

водящие

 

кабельные

 

линии

 (

ВТСП

 

КЛ

являются

 

инновационной

 

раз

-

работкой

позволяющей

 

решить

 

значительную

 

часть

 

проблемы

 

энергоснабжения

 

потребителей

В

 

электрических

 

сетях

 

возможно

 

создание

 

схемы

 

с

 

применением

 

ВТСП

 

КЛ

 

как

 

переменного

так

 

и

 

постоянного

 

тока

Обе

 

системы

 

имеют

 

свои

 

предпочтительные

 

об

-

ласти

 

применения

 

и

в

 

конечном

 

итоге

выбор

 

определяется

 

как

 

техническими

так

 

и

 

экономиче

-

скими

 

соображениями

ВТСП

 

КЛ

 

переменного

 

тока

 

це

-

лесообразны

 

в

 

тех

 

случаях

когда

 

необходима

 

передача

 

больших

 

потоков

 

электроэнергии

 

на

 

рас

-

пределительном

 

напряжении

а

 

также

 

при

 

замене

 

воздушных

 

линий

 

на

 

кабельные

 

без

 

измене

-

ния

 

класса

 

напряжения

Возмож

-

на

 

также

 

передача

 

энергии

 

непо

-

средственно

 

с

 

шин

 

генератора

 

на

 

подстанцию

 

или

 

в

 

распредели

-

тельную

 

сеть

.

ВТСП

 

КЛ

 

постоянного

 

тока

выполняя

 

те

 

же

 

функции

что

 

и

 

ВТСП

 

КЛ

 

переменного

 

тока

способны

 

также

 

осуществлять

 

функцию

 

ограничения

 

токов

 

КЗ

 

и

 

управление

 

потоками

 

мощно

-

сти

Поэтому

 

в

 

тех

 

случаях

ког

-

да

 

помимо

 

передачи

 

больших

 

потоков

 

мощности

 

на

 

среднем

 

напряжении

 

требуется

 

еще

 

обе

-

спечить

 

и

 

функцию

 

ограничения

 

токов

 

КЗ

 

и

 

управления

 

потоками

 

мощности

что

 

характерно

 

для

 

мегаполисов

ВТСП

 

КЛ

 

посто

-

янного

 

тока

 

наиболее

 

предпо

-

чтительны

Кроме

 

того

дальние

 

кабельные

 

передачи

 

возможны

 

только

 

при

 

использовании

 

линий

 

постоянного

 

тока

так

 

как

 

любые

в

 

том

 

числе

 

и

 

сверхпроводящие

кабельные

 

линии

 

переменного

 

тока

 

имеют

 

ограничение

 

по

 

дли

-

не

 

вследствие

 

возникновения

 

за

-

рядных

 

токов

которые

 

приводят

 

к

 

снижению

 

мощности

 

на

 

даль

-

нем

 

конце

 

линии

.

 

I

З

 = 

U

 

 

C

0

 

L

, (1)

где

 

U

 — 

фазное

 

напряжение

 — 

круговая

 

частота

C

0

 — 

емкость

 

на

 

единицу

 

длины

L

 — 

длина

 

линии

.

В

 

результате

 

этого

 

длина

 

ка

-

бельных

 

линий

 

переменного

 

тока

 

не

 

превышает

 

нескольких

 

десят

-

ков

 

километров

.

В

 

настоящее

 

время

 

кабельные

 

линии

 

переменного

 

тока

 

широ

-

ко

 

применяются

 

для

 

построения

 

городских

 

электрических

 

сетей

при

 

этом

 

в

 

связи

 

с

 

повсеместным

 

переходом

 

с

 

бумажно

-

масляной

 

на

 

изоляцию

 

из

 

сшитого

 

поли

-

этилена

 

с

 

более

 

высокими

 

зна

-

чениями

 

C

0

обост

 

ряется

 

пробле

-

ма

 

компенсации

 

генерируемой

 

КЛ

опасной

 

для

 

генераторов

 

городских

 

ТЭЦ

реактивной

 

мощ

-

ности

В

 

более

 

отдаленной

 

пер

-

спективе

 

такие

 

линии

 

в

 

варианте

 

ВТСП

что

 

обес

 

печивает

 

пере

-

дачу

 

необходимой

 

мощности

 

на

 

более

 

низком

 

напряжении

а

 

зна

-

чит

 

с

 

меньшим

 

C

0

следователь

-

но

 

и

 

с

 

меньшей

 

генерацией

 

Q

представляют

 

интерес

как

 

для

 

применения

 

в

 

энергосистемах

 

мегаполисов

так

 

и

 

при

 

создании

 

непротяженных

 

межсистемных

 

связей

передачи

 

энергии

 

через

 

водные

 

преграды

 

и

 

пр

Успеш

-

ные

 

испытания

 

и

 

последующее

 

производство

 

таких

 

систем

 

по

-

зволит

 

решить

 

ряд

 

специфиче

-

ских

 

задач

 

по

 

транспортировке

 

энергии

.

В

 

настоящее

 

время

 

техноло

-

гии

 

достигли

 

уровня

позволяю

-

щего

 

строить

 

системы

 

передачи

 

энергии

 

длиной

 

в

 

несколько

 

ки

-

лометров

 

для

 

использования

 

их

 

в

 

реальных

 

электросетях

Общая

 

электрическая

 

и

 

криогенная

 

схе

-

ма

 

ВТСП

 

линии

 

постоянного

 

тока

 

представлены

 

на

 

рисунке

 1.

ОПЫТ

 

СОЗДАНИЯ

 

ВТСП

 

КЛ

 

ПОСТОЯННОГО

 

ТОКА

Принимая

 

во

 

внимание

 

очевид

-

ные

 

преимущества

 

ВТСП

 

КЛ

 

по

-

стоянного

 

тока

 

во

 

многих

 

странах

 

(

Россия

Южная

 

Корея

Китай

Япония

Европа

проводятся

 

ра

-

боты

 

по

 

созданию

 

и

 

опытной

 

эксплуатации

 

таких

 

линий

 

для

 

различных

 

целей

Описать

 

все

 

проекты

 

в

 

одной

 

статье

 

невоз

-

можно

поэтому

 

ниже

 

приведено

 

краткое

 

описание

 

некоторых

 

про

-

ектов

которые

по

 

мнению

 

авто

-

ра

отражают

 

основные

 

достиже

-

ния

 

и

 

демонстрируют

 

широкий

 

диапазон

 

возможностей

 

в

 

данной

 

области

.

Рис

. 1. 

Электрическая

 

схема

 

ВТСП

 

линии

 

постоянного

 

тока

 (

а

и

 

возможные

 

схемы

 

организации

 

охлаждения

 

с

 

размеще

-

нием

 

криогенной

 

станции

 

с

 

одного

 

конца

 

линии

 (

б

и

 

с

 

размещением

 

криогенных

 

станций

 

вдоль

 

кабельной

 

трассы

 (

в

)

б

)

а

)

в

)

ВТСП

кабель

ВТСП

 

кабель

Токовые

 

вводы

Криогенная

 

станция

Обратный

 

трубопровод

Токовые

 

вводы

 1 (46) 2018


Page 4
background image

94

Рис

. 4. 

Испытания

 

кабеля

 500 

м

 (

а

и

 

конструкция

 

ВТСП

 

кабеля

 

в

 

криостате

 (

б

проекта

 Ishikari-1

КАБЕЛЬНЫЕ

ЛИНИИ

Проект

 IEE CAS 

ВТСП

 

КЛ

,

Китай

ВТСП

 

КЛ

 

соединяет

 

подстан

-

цию

оборудованную

 

выпрямите

-

лем

 

с

 

предприятием

 

по

 

производ

-

ству

 

алюминия

Данный

 

проект

 

демонстрирует

 

рекордные

 

харак

-

теристики

 

по

 

токонесущей

 

спо

-

собности

.

Характеристики

 

кабеля

 [3]:

 

конструкция

 — 

два

 

парал

-

лельных

 

униполярных

 

кабеля

 

с

 

несверхпроводящим

 

экраном

 

и

 

теплой

 

изоляцией

;

 

класс

 

напряжения

 — 1,3 

кВ

;

 

рабочий

 

ток

 — 10 

кА

;

 

длина

 — 362,4 

м

;

 

внешний

 

диаметр

 — 151 

мм

;

 

наличие

 

опыта

 

эксплуатации

.

Дата

 

включения

 

в

 

сеть

 — 

нача

-

ло

 2011 

года

работает

 

по

 

настоя

-

щее

 

время

Общие

 

теплопритоки

 

при

 77 

К

 — 4,0 

кВт

Криогенная

 

си

-

стема

 

замкнутого

 

типа

 Stirling.

Проект

 Joju,

Республика

 

Корея

Монополярная

 

кабельная

 

ли

-

ния

 

постоянного

 

тока

 80 

кВ

60 

МВт

 

длиной

 500 

м

 

передает

 

электроэнергию

 

от

 

ветропарка

 

в

 

энергосистему

 

острова

 

Чеджу

Проект

 — 

рекордный

 

по

 

классу

 

на

-

пряжения

 

для

 

ВТСП

 

КЛ

 

постоянно

-

го

 

тока

 [4].

Характеристики

 

кабеля

:

 

кабели

 (

рисунок

 2) 

размещены

 

в

 

гофрированных

 

криостатах

 

из

 

алюминиевого

 

сплава

;

 

класс

 

напряжения

 — 80 

кВ

;

 

рабочий

 

ток

 — 750 

А

;

 

длина

 — 500 

м

;

 

внешний

 

диаметр

 —149 

мм

;

 

изоляция

 

на

 80–200 

кВ

 DC.

При

 

создании

 

преобразова

-

тельных

 

подстанций

 

используются

 

сглаживающие

 

реакторы

 

с

 

ВТСП

 

обмотками

.

На

 

более

 

далекую

 

перспективу

 

разрабатываются

 

планы

 

по

 

соз

-

данию

 

кабелей

 

постоянного

 

тока

 

на

 30 

кВ

, 250 

кВ

 

на

 

передаваемую

 

мощность

 

до

 5 

ГВт

.

Проекты

 

Университета

 

Chubu, 

Япония

В

 

университете

 Chubu 

были

 

созданы

 

и

 

исследованы

 

два

 

от

-

резка

 

ВТСП

 

кабеля

 

постоянного

 

тока

 

длиной

 20 

м

 

и

 200 

м

.

Характеристики

 

кабеля

:

 

конструкция

 — 

биполярный

 

ко

-

аксиальный

 

кабель

 (

рисунок

 3);

 

класс

 

напряжения

 — +/–10 

кВ

;

 

рабочий

 

ток

 — 2,0 

кА

;

 

передаваемая

 

мощность

 — 

40 

МВт

;

 

длина

 — 200 

м

.

Криостат

 

жесткий

внутрен

-

ний

 — 

нержавеющая

 

сталь

 

с

 

силь

-

фонами

внешний

 — 

черная

 

сталь

внешним

 

диаметром

 204 

мм

Ра

-

бочая

 

температура

 — 72–82 

К

.

Проект

 Ishikari 

на

 

острове

 

Хокайдо

Япония

Внешний

 

теплоприток

 1,0–

2,0 

Вт

/

м

для

 

уменьшения

 

тепло

-

притоков

 

через

 

токовводы

 

исполь

-

зовали

 

холодильники

 

на

 

основе

 

эффекта

 

Пелтье

.

После

 

успешных

 

испытаний

 

200-

метровой

 

линии

 

в

 2014 

году

 

был

 

начат

 

проект

 Ishikari 

на

 

остро

-

ве

 

Хокайдо

.

Первая

 

фаза

 

проекта

 — 

про

-

кладка

 

кабеля

 

длиной

 500 

м

 

рабочее

 

напряжение

 — 10 

кВ

;

 

расчетный

 

ток

 — 5000 

А

Испытания

 

линии

  (

рисунок

 4) 

проведены

 

в

 

мае

-

июне

 2015 

го

-

да

Линия

 

введена

 

в

 

эксплуата

-

Рис

. 2. 

Конструкция

 

кабеля

 

ВТСП

 

линий

 

постоянного

 

тока

 

в

 

энерго

-

системе

 

острова

 

Чеджу

Формер
ВТСП

 

проводник

Изоляция
Обмотка

1-

я

 

оболочка

Тепловая

 

изоляция

Проставка

2-

я

 

оболочка

Наружный

 

покров

Рис

. 3. 

Конструкция

 

кабеля

 

проекта

 

Университета

 Chubu

Прямой

проводник

Обратный

проводник

б

)

а

)


Page 5
background image

95

цию

ВТСП

 

передача

 

соединя

-

ет

 

распределительные

 

устрой

-

ства

 

солнечной

 

электростанции

 

и

 

хранилища

 

данных

 

интернет

-

компании

.

При

 

снижении

 

затрат

 

компании

 

на

 

питание

 

на

 10% 

за

 

счет

 

ВТСП

 

кабеля

 

постоянного

 

тока

 

ее

 

при

-

быль

 

возрастает

 

вдвое

Вторая

 

фаза

 

проекта

 — 

про

-

кладка

 

кабеля

 

длиной

 1000 

м

:

 

класс

 

напряжения

 — +/–10 

кВ

;

 

расчетный

 

ток

 — 2,5 

кА

.

Кабель

 

был

 

смонтирован

 

в

 U-

образную

 

линию

  (

рисунок

 5) 

в

 

июне

 2016 

года

Прямой

 

и

 

обрат

-

ный

 

поток

 

жидкого

 

азота

 

органи

-

зованы

 

внутри

 

общего

 

криостата

как

 

это

 

показано

 

на

 

рисунке

  4

б

Основная

 

цель

 

второй

 

фазы

 

про

-

екта

 — 

проведение

 

исследований

 

и

 

получение

 

базовых

 

знаний

 

для

 

разработки

 

более

 

длинных

 

ли

-

ний

К

 

концу

 2016 

года

 

проведены

 

успешные

 

испытания

 

криогенной

 

системы

 1000-

метровой

 

линии

Исследованы

 

три

 

варианта

 

кон

-

струкции

 

криостатов

 

и

 

показано

что

 

внешний

 

теплоприток

 

в

  «

хо

-

лодную

 

зону

» 

может

 

быть

 

снижен

 

до

 

величины

не

 

превышающей

 

Вт

/

м

 [5]. 

Это

 

крайне

 

важно

 

при

 

проектировании

 

линий

 

большой

 

протяженности

В

 

перспективе

 

рассматривает

-

ся

 

еще

 

одна

 

линия

 

на

 

Хоккайдо

 

длиной

 10 

км

.

Охлаждение

 LN2 

с

 

возможным

 

переходом

 

на

 

переохлажденный

 

LNG.

Санкт

-

Петербургский

 

проект

Россия

Первый

 

Российский

 

про

-

ект

 

ВТСП

 

КЛ

 

постоянного

 

тока

предназначенный

 

для

 

уста

-

новки

 

в

 

энергосистему

 

Санкт

-

Петербурга

 

для

 

соединения

 

подстанций

 

ПС

 330 

кВ

  «

Цен

-

тральная

» 

и

 

ПС

 220 

кВ

  «

РП

-9». 

Длина

 

кабеля

 — 2,5 

км

а

 

пет

-

ля

 

прокачки

 

жидким

 

азотом

 — 

км

Эти

 

параметры

 

являются

 

рекордными

 

среди

 

существую

-

щих

 

ВТСП

 

кабельных

 

проектов

в

 

мире

 [6].

Характеристики

 

кабеля

:

 

конструкция

 — 

монополярная

 

передача

 

постоянного

 

тока

 

с

 

обратным

 

проводником

 

в

 

кон

-

струкции

 

одного

 

кабеля

;

Рис

. 5. 

Внешний

 

вид

 1000-

метровой

 

экспериментальной

 

кабельной

 

линии

 

проекта

 Ishikari-2

 

класс

 

напряжения

 — 20 

кВ

;

 

рабочий

 

ток

 — 2500 

А

;

 

передаваемая

 

мощность

 — 

50 

МВт

;

 

длина

 — 2500 

м

 

с

 

пятью

 

соеди

-

нительными

 

муфтами

;

 

внешний

 

диаметр

 

криостата

 — 

110 

мм

;

 

криогенная

 

система

 

замкнуто

-

го

 

типа

 

производительностью

 

12 

кВт

 

при

 67 

К

 

производства

 

НПО

 «

Гелиймаш

».

Успешно

 

испытаны

 

два

 30-

мет

-

ровых

 

отрезка

 

в

 

сборе

 

с

 

соеди

-

нительной

 

муфтой

 

и

 

токовыми

 

вводами

После

 

этого

 

было

 

запу

-

щено

 

производство

 2,5 

км

 

кабе

-

ля

Испытаны

 

две

 

строительных

 

длины

 (

по

 430 

метров

с

 

соедини

-

Рис

. 6. 

Два

 

отрезка

 

сверхпроводящего

 

кабеля

 

постоянного

 

тока

 

по

 430 

м

 

каждый

 

во

 

время

 

испытаний

 

на

 

полигоне

 

АО

 «

НТЦ

 

ФСК

 

ЕЭС

»

тельной

 

муфтой

  (

рисунок

 6). 

Все

 

проектные

 

характеристики

 

достиг

-

нуты

 [7].

Изготовленный

 

комплекс

 

обо

-

рудования

 

включает

 

– 6 

строительных

 

длин

 

кабеля

 

общей

 

длиной

 2500 

метров

;

 

комплект

 

соединительных

 

и

 

концевых

 

муфт

;

 

два

 

выпрямителя

/

инвертора

с

 

фильтрующими

 R-C 

устрой

-

ствами

 

и

 

системой

 

СУРЗА

;

 

замкнутая

 

криогенная

 

система

 

производительностью

 12 

кВт

 

холода

.

В

 2017 

году

 

проводились

 

ре

-

сурсные

 

испытания

 

кабельной

 

линии

 

длиной

 

более

 2 

км

 

в

 

сборе

 

со

 

штатной

 

криогенной

 

системой

 

 1 (46) 2018


Page 6
background image

96

и

 

преобразовательной

 

подстанци

-

ей

Работы

 

проводились

 

на

 

пло

-

щадке

 

АО

 «

НТЦ

 

ФСК

 

ЕЭС

» 

в

 

Мо

-

скве

 (

рисунок

 7).

Европейский

 

проект

 

BEST PATHS [8]

В

 

рамках

 

проекта

 

предпола

-

гается

 

создание

 

ВТСП

 

кабеля

 

постоянного

 

тока

охлаждаемого

 

газообразным

 

гелием

 

или

 

водо

-

родом

 

до

 

температур

 20–40 

К

 

с

 

рабочим

 

током

 

порядка

 10 

кА

 

на

 

напряжение

 

до

 400 

кВ

Рассма

-

тривается

 

далекая

 

перспектива

 

передачи

 

электроэнергии

полу

-

ченной

 

от

 

возобновляемых

 

источ

-

ников

на

 

большие

 

расстояния

Работа

 

находится

 

на

 

начальной

 

стадии

 

предварительных

 

оценок

 

КАБЕЛЬНЫЕ

ЛИНИИ

Жидкий гелий

 

4,5 К

20 м

 

Газообразный
гелий
5–70 К

 

 

Постоянный ток 20 кА 

L

 = 20 м 

внутр.

   

= 64  мм

внеш.

   

= 163 мм

и

 

разработки

 

элементов

 

линии

Для

 

испытаний

 

разрабатывае

-

мых

 

моделей

 

кабеля

 

в

 

ЦЕРНе

 

создан

 

испытательный

 

стенд

 

длиной

 20 

м

 

с

 

возможностью

 

из

-

менения

 

температуры

 

в

 

пределах

 

5–70 

К

 

и

 

токами

 

до

 20 

кА

На

 

ри

-

сунке

 8 

показаны

 

эскиз

 

монопо

-

лярного

 

ВТСП

 

кабеля

 

на

 

основе

 

соединения

 MgB

2

 

и

 

схема

 

испыта

-

тельного

 

стенда

Как

 

видно

 

из

 

вышеизложенно

-

го

в

 

мире

 

накоплен

 

значитель

-

ный

 

опыт

 

по

 

разработке

 

и

 

иссле

-

дованиям

 

ВТСП

 

КЛ

 

постоянного

 

тока

Массив

 

полученных

 

дан

-

ных

 

позволяет

 

провести

 

предва

-

рительную

 

оценку

 

возможности

 

создания

 

протяженных

 

ВТСП

 

передач

 

стратегического

 

назна

-

Рис

. 8.

Эскиз

 

ВТСП

 

кабеля

 (

слева

)

и

 

схема

 

испытательного

 

стенда

 (

справа

)

чения

Оценку

 

будем

 

проводить

 

по

 

следующим

 

параметрам

:

 

возможные

 

уровни

 

передавае

-

мой

 

мощности

;

 

величина

 

потерь

 

энергии

 

в

 

ли

-

нии

;

 

организация

 

системы

 

охлажде

-

ния

.

ВОЗМОЖНЫЕ

 

УРОВНИ

 

ПЕРЕДАВАЕМОЙ

 

МОЩНОСТИ

 

ПО

 

ВТСП

 

КАБЕЛЬНОЙ

 

ЛИНИИ

 

ПОСТОЯННОГО

 

ТОКА

 

Оценим

 

возможный

 

уровень

 

пе

-

редаваемой

 

мощности

 

при

 

раз

-

личных

 

напряжениях

исходя

 

из

 

достигнутых

 

характеристик

 

сверх

-

проводящих

 

материалов

При

 

величине

 

конструктивной

 

крити

-

ческой

 

плотности

 

тока

равной

 

200 

А

/

мм

2

 [9], 

реальным

 

является

 

создание

 

кабелей

 

постоянного

 

тока

 

с

 

номинальным

 

током

 10,0–

20,0 

кА

Кабели

 

с

 

рабочим

 

током

 

в

 10,0 

кА

 

уже

 

созданы

 [2]. 

Примем

 

для

 

нижеприведенных

 

оценок

сведенных

 

в

 

таблицу

 1, 

рабочий

 

ток

 

равным

 15,0 

кА

.

Для

 

увеличения

 

надежности

 

передачи

 

целесообразно

 

рассма

-

тривать

 

передачу

 

по

 

двум

 

парал

-

лельным

 

линиям

то

 

есть

 

в

 

двух

-

цепном

 

исполнении

Как

 

видно

 

из

 

таблицы

мощность

 

порядка

 

6000 

МВт

 

может

 

быть

 

передана

 

в

 

сеть

 

уже

 

при

 

напряжении

 100 

кВ

 

при

 

биполярной

 

передаче

 

или

 

200 

кВ

 — 

при

 

монополярной

 

пере

-

Рис

. 7. 

Результаты

 

измерения

 

критического

 

тока

 

сверхпроводящего

 

кабеля

 

постоянного

 

тока

 

и

 

зависимость

 

критического

 

тока

 

от

 

температуры

I

ном

Ток

А

78 

К

Температура

К

То

к

А

1200

1000

800

600

400

200

0

5700

5200

4700

4200

3700

3200

67

69

71

73

75

77

79

81

6000

5000

4000

3000

2000

1000

0

Напр

яж

ение

мВ

T

 

на

 

входе

 

в

 

криостат

T

 

на

 

выходе

 

из

 

криостата


Page 7
background image

97

даче

При

 

этом

 

для

 

осуществле

-

ния

 

передачи

 

потребуется

 

только

 

2–4 

кабеля

Высокая

 

плотность

 

тока

 

в

 

сверхпроводнике

 

и

 

высокие

 

электрические

 

характеристики

 

изоляции

 

в

 

жидком

 

азоте

 

позво

-

ляют

 

в

 

одном

 

кабеле

 

размещать

 

прямой

 

и

 

обратный

 

проводники

что

 

сводит

 

к

 

нулю

 

поля

 

рассеяния

 

кабельной

 

линии

.

ПОТЕРИ

 

ЭНЕРГИИ

 

В

 

СВЕРХПРОВОДЯЩЕЙ

 

ЛИНИИ

Потери

 

энергии

 

в

 

ВТСП

 

линии

 

по

-

стоянного

 

тока

 

складываются

 

из

:

1)  

потерь

 

энергии

 

в

 

преобразо

-

вателях

 

около

 2% 

от

 

мощности

 

линии

;

2)  

теплопритоков

 

через

 

токовво

-

ды

 (

единицы

 

кВт

);

3)  

потерь

связанных

 

с

 

теплопри

-

токами

 

в

 

холодную

 

зону

 

через

 

криостат

умноженных

 

на

 

коэф

-

фициент

 

рефрижерации

.

Две

 

первые

 

величины

 

не

 

зави

-

сят

 

от

 

длины

Для

 

длинных

 

линий

 

теплопритоками

 

через

 

токовво

-

ды

 

можно

 

пренебречь

Примем

 

в

 

расчете

 

не

 

зависящую

 

от

 

длины

 

составляющую

 

потерь

 

энергии

равной

 2% 

от

 

передаваемой

 

мощ

-

ности

.

Теплопритоки

 

через

 

оболочку

 

современных

 

криостатов

 

состав

-

ляют

 1,0–1,5 

Вт

/

м

 [5]. 

Коэффици

-

ент

 

рефрижерации

 12–18, 

тогда

 

приведенные

 

потери

 

мощности

 

на

 

метр

 

длины

 

линии

 

составят

 12–

27 

Вт

/

м

Примем

 

среднюю

 

вели

-

чину

 — 20 

Вт

/

м

Ограничим

 

общие

 

потери

 

при

 

передаче

 

энергии

 3%, 

то

 

есть

 

потери

 

в

 

сверхпроводя

-

щей

 

линии

 

с

 

учетом

 

затрат

 

энер

-

гии

 

на

 

охлаждение

 

не

 

должны

 

превышать

 1%. 

Результаты

 

рас

-

чета

 

максимальной

 

длины

 

ВТСП

 

линии

общие

 

потери

 

в

 

которой

 

будут

 

не

 

более

 3% 

от

 

ее

 

номи

-

нальной

 

мощности

представлены

 

в

 

таблице

 2.

Из

 

таблицы

 2 

следует

что

 

использование

 

ВТСП

 

линии

 

по

-

зволит

 

существенно

 

сократить

 

потери

 

энергии

 

при

 

ее

 

транспор

-

тировке

 

на

 

большие

 

расстояния

.

ОХЛАЖДЕНИЕ

 

ЛИНИИ

 

С

 

ОПРЕДЕЛЕНИЕМ

 

МАКСИМАЛЬНОГО

 

РАССТОЯНИЯ

 

МЕЖДУ

 

КРИОГЕННЫМИ

 

СТАНЦИЯМИ

При

 

расчете

 

охлаждения

 

линии

 

исходим

 

из

 

следующих

 

исходных

 

данных

:

 

максимальная

 

температура

 

сверхпроводящего

 

кабеля

охлаждаемого

 

жидким

 

азо

-

том

 

не

 

должна

 

превышать

 

78–80 

К

что

 

приводит

 

к

 

допу

-

стимому

 

перепаду

 

темпера

-

тур

 

по

 

длине

 

порядка

 10 

К

;

 

допустимый

 

перепад

 

давле

-

ний

 

по

 

длине

 

определяется

 

характеристиками

 

криостата

 

и

 

для

 

гибких

 

криостатов

 

на

 

основе

 

гофрированных

 

труб

 

составляет

 10–15 

атмосфер

Для

 

гладких

 

труб

 

допустимое

 

давление

 

может

 

достигать

 

несколько

 

десятков

 

атмос

-

фер

;

 

минимальное

 

давление

 

азота

 

и

 

максимальная

 

температу

-

ра

 

азота

 

в

 

зоне

 

приложения

 

высокого

 

напряжения

 

должны

 

обеспечивать

 

отсутствие

 

воз

-

можности

 

образования

 

газо

-

вых

 

пузырьков

существенно

 

снижающих

 

электрическую

 

прочность

что

 

соответствует

 

условиям

давление

 

не

 

менее

 

1,0 

атм

а

 

температура

 

не

 

выше

 78 

К

.

Первое

 

условие

 

является

 

следствием

 

того

что

 

диапазон

 

существования

 

жидкой

 

фазы

 

азота

 

ограничен

 

снизу

 

темпера

-

турой

 

замерзания

а

 

сверху

 

тем

-

пературой

 

кипения

и

 

составляет

 

всего

 77,4 K – 63,2 K = 14,2 K 

при

 

атм

 (

рисунок

 9). 

Хотя

 

он

 

и

 

может

 

быть

 

расширен

 

путем

 

повышения

 

давления

 

в

 

системе

  (

составляя

например

, 20,6 K 

при

 2 

атм

), 

но

 

при

 

этом

 

нижний

 

температурный

 

предел

 (

температура

 

замерзания

остается

 

практически

 

неизмен

-

ным

Следовательно

расширение

 

диапазона

 

ведет

 

к

 

повышению

 

температуры

 

на

 

выходе

 

из

 

крио

-

стата

 

и

значит

к

 

снижению

 

кри

-

тического

 

тока

 

сверхпроводящего

 

материала

Чтобы

 

обеспечить

 

задан

-

ный

 

перепад

 

температур

 

T

по

 

длине

 

кабельной